一种萨克斯专用仿生手的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种萨克斯专用仿生手装置，其中包括左手和右手，每个手掌包含5个手指。由于萨克斯吹奏时，每个手指的具体功能不同，需要的自由度也不尽相同，故每个手指的自由度和结构设计是根据萨克斯管实际吹奏的需求来设计的。每个手指的结构基本包括指尖(一个)、连接件(无、一个或多个)、固定件(一个)和关节(一个或多个)。指尖用于按键，关节用于控制指尖或链接件的转动来按键，固定件固定于手掌之上并调整手指的位置，连接件用于连接指尖与固定件。我们采用舵机作为动力来源，配以拉线转动关节以带动连接件以及指尖的转动，以实现仿生手的快速、精确按键功能。
【专利说明】一种萨克斯专用仿生手
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种应用型手指结构，是一种完全为吹奏萨克斯的需求所设计的手指结构，能够完全符合萨克斯吹奏的按键要求，并且符合人体功效学。
【背景技术】
[0002]目前，现有的萨克斯机器人的手指设计都是不完整的，由于萨克斯的构造复杂、按键很多，一个手指需要控制一个或者多个按键，现有的萨克斯机器人的手指设计大多为一个自由度、最多为两个自由度，不能完全满足萨克斯的按键要求，即萨克斯的音域不能完全保证，在吹奏时只能选择音域较窄的歌曲。而现有的一些灵巧手能够实现很多仿生的复杂操作功能，但是由于灵巧手的结构过于复杂，并且很难做成仿人手的大小，基本上现有的灵巧手的关节结构均使用电机作为动力来源，由于萨克斯的大小不能定做，所以手指的大小被限定，不能在关节处使用电机作为动力来源，而且成本会很高，所以灵巧手并不适合作为萨克斯机器人的仿生手。
[0003]针对上述不足，本申请研制了一套新型的萨克斯专用应用型仿生手结构。通过对萨克斯吹奏的了解，发现每个手指所控制的键的个数以及方法均不相同，比如，左手食指需要三个单向自由度、左手中指需要两个单向自由度、左手无名指和右手中指和无名指只需要一个单向自由度。所以按照每个手指的需要，设计特定的结构。这样不仅可以节约成本，还能够减少舵机的控制复杂度，提高设计控制的效率，并且提高手指结构的紧凑度。
实用新型内容
[0004]本实用新型仿生手需要解决以前仿生手的包括手指功能不完善、手指过大不符合吹奏萨克斯的要求、结构过于复杂浪费成本和增加控制复杂度等问题，并且提出一种实用新型仿生手的结构，解决以上不足。
[0005]本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下:仿生手包括两只手掌和十个手指(由于吹奏萨克斯左手右手按键方式不一样，所以设计结构并不对称)；两只手掌分为左掌和右掌，左掌有一个垂直延伸板，延伸板上安装左手拇指(有按键功能)，右掌没有垂直延伸板，右手拇指(没有按键功能)固定在右手臂上，用来固定萨克斯中部的位置，故不需要延伸板，安装在延伸板上反而影响手掌的结构强度。
[0006]组成手指的基本部分包括指尖(一个)、连接件(无、一个或多个)、固定件(一个)和关节(一个或多个)。指尖用于按键，关节用于控制指尖或链接件的转动来按键，固定件固定于手掌之上并调整手指的位置，连接件用于连接指尖与固定件。本申请采用舵机作为动力来源，配以拉线转动关节以带动连接件以及指尖的转动。拉线从关节下方与链接件的横板上的小孔穿过并缠绕固定在圆形关节的凹槽中，另一端连接在舵机的舵盘上。
[0007]在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进:
[0008]进一步，在固定板的延伸板上设计有一滑槽，并在手掌上设计两道水平平行且与手指固定板上的滑槽宽度一样的滑槽。根据两点一线原则，能够尽最大可能增加手指的调整范围，用两个直径与滑槽宽度相同的螺栓固定。由于手指处受力不大，拧紧螺栓的摩擦力足以保证手指装配调整后固定不动。
[0009]进一步，仔细研宄每个萨克斯按键的手指控制，发现左手食指需要三个单向自由度；左手中指需要两个单向自由度；左手拇指和无名指、右手中指和无名指只需要一个单向自由度；左手小指和右手食指需要两个单向自由度和一个摆动自由度。通过对自由度的分析，我们可以基本确定手指的结构，即，N个单向自由度需要N-1个连接件，需要N个关节。
[0010]进一步，有关于关节滑轮的设计，关节滑轮设计为一个圆柱形滑轮，圆柱面中部设计为凹槽，圆心处打一通孔，用以穿过同样大小的轴，保证关节与连接件或固定件之间的相对同轴转动。在非圆心处打一螺纹孔(或通孔)，用以连接指尖(或连接件)，保证指尖(或连接件)与该关节保持相对静止，以此通过关节转动来带动指尖(或连接件)的转动，实现手指的按键。通过在凹槽中设计一个压线螺丝，来保证拉线与关节滑轮之间的相对静止。
[0011]进一步，有关连接件的结构设计，所述仿生手的各手指的指节个数为0-2个不等，由于手指的驱动源来自于关节处的拉线，为保证各拉线正常工作(能够保持关节两端拉线平行)而不相互干扰，则关节的设计必须有大小的区分，靠近指尖(远离舵机)的关节较大，远离指尖(靠近舵机)的关节较小。而连接件的结构设计则是根据关节的大小梯度变化而设计成“折线”型。
[0012]进一步，有关多单向自由度的连接件的尺寸设计，根据萨克斯在proe中的三维扫描立体图来建立手指模型，手指结构的尺寸基本可以在建模中确立，为了减少舵机的驱动力，应该相应将关节设计的比较大，而连接件(或指尖)的受力位置应该相应的同转动轴的位置靠近。根据建立的模型来不断调整尺寸，最终使得手指能够完整依附于手掌之上，并且将手指按键能动部分与萨克斯按键完美贴合。
[0013]本实用新型的有益效果是:本实用新型的萨克斯专用仿生手具有结构简单、仿人手尺寸、易控制、高自由度的特点。每个手指的结构都依照萨克斯吹奏的需求而设计，具有专向性。手指的动力来源为舵机提供，舵机具有易操作、灵敏度、准确度高、响应速度快的特点，使得手指的控制系统更简单、易更改调整。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型所述一种萨克斯机器人的专用仿生手装置的左手的结构示意图；
[0015]图2为本实用新型所述一种萨克斯机器人的专用仿生手装置的右手的结构示意图；
[0016]图3为本实用新型所述左手食指的结构示意图；
[0017]图4为本实用新型所述左手中指(与右手食指相同)的结构示意图；
[0018]图5为本实用新型所述不带有“口”型固定架的指尖的结构示意图；
[0019]图6为本实用新型所述带有“口”型固定架的指节的结构示意图；
[0020]图7为本实用新型所述一级连接件的结构示意图；
[0021]图8为本实用新型所述二级连接件的结构示意图；
[0022]图9为本实用新型所述固定件的结构示意图；
[0023]图10为本实用新型所述单自由度关节的结构示意图；
[0024]图11为本实用新型所述摆动自由度关节的结构示意图；
[0025]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0026]1、手掌，2、手指，201、指尖，202、连接件，203、固定件，204、关节，201-1、平面带有限位结构的指尖，201-2、带有立体固定架的指尖，202-1、组装成型的一级连接件，202-2、一体的二级连接件，202-11、组装成型一级连接件的两侧“7”型定位结构，202-12、组装成型一级连接件的工字型限位板，202-13、拉线环固定孔，202-14、转轴固定孔。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述。
[0028]如图1、2所示，图纸结构为萨克斯专用仿生手的左手和右手的结构示意图。该图中每个仿生手包括手掌I和五个手指2，其中图1为左手示意图，图2为右手示意图。图1左手示意图中大拇指包括一个指尖201，一个关节204，一个固定件203;食指包括一个指尖201，两个连接件202，一个固定件203，三个关节204;中指(与右手食指结构相同)包括一个指尖201，一个连接件202，一个固定件203，二个关节204 ;无名指(与右手中指、无名指结构相同)包括一个指尖201，一个固定件203，一个关节204;小指(与右手小指结构相同)包括一个指尖201，一个固定件203，一个关节204。图2中右手结构示意图中大多数手指结构与左手手指相同，大拇指无按键功能，而只有固定作用，故将大拇指设计固定在手臂上，在图中手掌上未显示。所述每个指尖201与一个关节204固定连接，再一同接在固定件203或连接件202 —端；所述连接件202的另一端与一个关节204固定连接，再一同接在固定件203或连接件202 —端；所述每个关节204由一个舵机通过拉线控制；所述拉线的一端固定在关节204上，另一端固定在在舵机的舵盘上。
[0029]如图3所示，所述手指为左手食指结构示意图，根据萨克斯实际吹奏所需设计三个单向自由度，包括指尖201-1，连接件202-1和202-2，固定件203，关节204。所述指尖201-1与关节配合成第一单向自由度，用于控制萨克斯的正面按钮；所述连接件202-1与关节配合成第二单向自由度，用于控制萨克斯的侧面第一倍音键；所述连接件202-2与关节配合成第三单向自由度，用于控制萨克斯的侧面第二倍音键。所述固定件203的U型结构一端连接连接件202-2和关节204，另一端将滑槽固定于手掌上的两条平行限位滑槽，用于调整整个手指的位置与朝向。
[0030]如图4所示，所述手指为左手中指(与右手食指结构相同)结构示意图，根据萨克斯实际吹奏所需设计二个单向自由度，包括指尖201-1，连接件202-1，固定件203，关节204。所述指尖201-1与关节配合成第一单向自由度，用于控制萨克斯的正面按钮；所述连接件202-1与关节配合成第二单向自由度，用于控制萨克斯的侧面倍音键。所述固定件203的U型结构一端连接连接件202-2和关节204，另一端将滑槽固定于手掌上的两条平行限位滑槽，用于调整整个手指的位置与朝向。
[0031]如图5、6所示，所述指尖包括201-1、201-2两种。图5所述指尖用于除左右手小指以外的其他所有手指的指尖。所述指尖201-1结构中包含同轴孔201-11和止动孔201-12。所述同轴孔201-11用于保持指尖相对于连接件的同轴旋转；所述止动孔201-12用于保持关节和指尖位置的相对静止，以达到拉线控制关节旋转，同时带动指尖旋转按键的目的。图6所述指尖用于左右手小指的指尖。由于小指除开单向自由度以外还需要一个摆动自由度，摆动自由度的实现需要更改关节204的结构，从而不能用普通的连接件或固定件或指尖的结构。所述指尖201-2结构中包含同轴孔201-21和止动孔201-22。所述同轴孔201-21用于保持指尖相对于连接件的同轴旋转；所述止动孔201-22用于保持关节和指尖位置的相对静止，以达到拉线控制关节旋转，同时带动指尖旋转按键的目的。
[0032]如图7、8所示，所述连接件包括202-1和202-2两种。图7所述连接件为一级连接件，即连接指尖与固定件或连接指尖与二级连接件的结构。所述连接件202-1结构中包含两个平行放置的折型挡板202-11，和一个工字型限位板202-12。所述折型挡板202-11，两个折型挡板平行对称放置构成类Y型结构，大口端内接关节204和指尖201 ;小口端内接关节204，外接二级连接件202-2的大口端或固定件203的开口端。所述限位板202-12正面有两个通拉线并限位的限位孔，侧面有两个与折型挡板相固定的螺纹孔。图8所述连接件为二级连接件，即连接一级连接件和固定件的结构。所述连接件202-2结构与202-1不同之处在于202-2为一个整体件，而202-1由三个小零件组成。202-2实现的功能与202-1相似，但由于拉线走线的原因，二级连接件只能设计的比一级连接件小，这样拉线才不会相互干扰。
[0033]如图9所示，所述固定件203结构中，上半部分为一个U型定位结构，结构上侧面有与指尖201和关节204连接的定位孔，底面有通拉线的限位孔。下半部分为一个与手掌固定的定位板，定位板上的滑槽与手掌上的两条滑槽组成定位槽，以调整手指的最终具体朝向。
[0034]如图10、图11所示，所述关节包括204-1和204-2两种。关节204-1用于单向自由度，204-2用于摆动自由度。图10所述关节204-1结构中，包含同轴定位孔204-11，固定螺纹孔204-12，压线螺纹孔204-13。所述同轴定位孔204-11用于保持关节204相对于连接件202或固定件203的同轴转动；所述固定螺纹孔204-12用于保持指尖201与关节204运动的相对静止；所述压线螺纹孔204-13用于保持拉线与关节204运动的相对静止，以实现通过舵机操纵拉线来控制关节和指尖的转动。图11所述关节204-2结构中，包含同轴定位孔204-21和支撑定位孔204-22，。所述同轴定位孔204-21用于保持关节相对于固定件的同轴转动；所述支撑定位孔204-22用于支撑单向自由度关节204-1，使其保证同轴转动。
【权利要求】
1.一种萨克斯专用仿生手装置，其特征是，包括了一个手掌和五个手指，其中大拇指包括一个连接件和一个固定件，固定件直接固定在手掌上或通过关节与金属固定板连接，金属固定板固定在手掌上，为了更好地适应吹奏萨克斯的需要，左右手除拇指外的其他四个手指各不相同，左手的食指有三个关节，中指有两个关节，无名指有一个关节，小指有一个关节，右手的食指有两个关节，中指有一个关，各个关节通过连接件连接，每个关节最末端的关节用固定件与手掌连接，上述的每个关节都有一个舵机通过拉线控制其运动，拉线的一端固定在对应的关节上另一端固定在舵机的舵盘上。
2.根据权利要求1中所述的萨克斯专用仿生手装置，其特征是，手指包括关节连接件和固定件；手掌由带两条螺栓槽的平板构成。
3.根据权利要求1中所的述萨克斯专用仿生手装置，其特征是，手指中的关节由滚轮组成，连接件由两条长板和关节处的连接横板组成，固定件为带有螺栓槽的条形板；手掌由带两条螺栓槽的平板构成。
4.根据权利要求1中所述萨克斯专用仿生手装置，其特征是，共有两种不同种类的关节，一种为单自由度关节可以实现上下自由度的调整，另一种为两个自由度关节可以实现上下、左右自由度的调整。
5.根据权利要求4所述萨克斯专用仿生手装置，其特征在于，所述单自由度关节包括一个转轮和转轴，转轴穿过转轮中间的圆孔使转轮在舵机拉线拉动时可以进行单自由度的转动；所述两自由度关节由一个转轮、一个转轴和一个竖直放置的支撑轴组成，支撑轴和转轮通过转轴连接在一起，整个关节由两个舵机控制，一个控制支撑轴实现左右自由度的转动，另一个控制转轮实现对上下自由度的控制。
6.根据权利要求1所述一种萨克斯专用仿生手装置，其特征是，在食指、中指、无名指和小指的连接件上设计有定位槽，同时在手掌上有两条对应的定位槽，安装时用两个螺栓进行连接、固定。
【文档编号】B25J15/10GK204248899SQ201420346439
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】范东宇, 王玥, 刘佩增, 何江龙, 杨凯, 陈凯翔, 赵亮, 刘泫梓 申请人:北京邮电大学